〔作者简介〕 李赫, 男, 1987年生, 工程师, 2011年于防灾科技学院获勘察技术与工程专业学士学位, 主要从事地震学及数字地震资料的应用研究, E-mail: lihe200888@sina.com。
2017年9月4日河北省邢台市临城县发生了 ML4.4地震, 临城及周边地区震感明显。 此次地震发生在地震较少的临城县, 是邢台地区近年来的一次显著地震, 研究其发震机理对认识曾于1966年发生 MS7.2地震的邢台地区的地震活动性具有重要意义。 文中基于河北区域数字地震台网资料, 采用多阶段定位方法对临城 ML4.4地震序列进行了精定位, 然后利用gCAP方法反演了此次地震的震源机制解和震源深度, 并对该结果进行了可靠性分析, 最后采用sPL深度震相对震源深度进行精确测定。 结果显示, 临城地震序列主轴沿NE向分布, 深度剖面揭示倾向SE, 深度集中在6.5~8.2km, 平均约7km。 主震最佳双力偶解节面I的走向、 倾角和滑动角分别为276°、 69°和 -40°, 节面Ⅱ的走向、 倾角和滑动角分别为23°、 53°和 -153°, 由此可知该地震为具有少量正断分量的走滑型地震。 起始破裂深度约7.5km, 矩心深度6km, 多个台站观测到的sPL深度震相结果也验证了这一矩心深度的可靠性, 地震由深部向浅部破裂。 结合区域地质构造资料和地震序列定位结果分析, 认为节面Ⅱ为发震断层面。 根据1966年邢台地震发震机理的启示, 推测发震断层为临城地区滑脱构造面之下的一条走滑兼具较小正断分量的潜伏断层。 本次地震是深部断裂的一次应力调整, 并没有导致深浅部断裂的贯通破裂, 因此该地区仍然具有一定的地震危险性。
At 3:05, September 4, 2017, an ML4.4 earthquake occurred in Lincheng County, Xingtai City, Hebei Province, which was felt obviously by surrounding areas. Approximately 60km away from the hypocenter of Xingtai MS7.2 earthquake in 1966, this event is the most noticeable earthquake in this area in recent years. On the one hand, people are still shocked by the 1966 Xingtai earthquake that caused huge disaster, on the other hand, Lincheng County is lack of strong earthquakes. Therefore, this quake has aroused widespread concerns by the government, society and seismologists. It is necessary to clarify whether the seismogenic structure of this event is consistent with the previous seismicity and whether it has any new implications for the seismic activity and seismic hazard in this region. Therefore, it is of great significance to study its seismogenic mechanism for understanding the earthquake activity in Xingtai region where a MS7.2 earthquake had occurred in 1966.
In this study, the Lincheng earthquake and its aftershocks are relocated using the multi-step locating method, and the focal mechanism and focal depth are determined by the “generalized Cut and Paste”(gCAP)method. The reliability of the results is analyzed based on the data of Hebei regional seismic network. In order to better constrain the focal depth, the depth phase sPL fitting method is applied to the relocation of focal depth. The inversion and constraint results show that aftershocks are mainly distributed along NE direction and dip to SE direction as revealed by depth profiles. Focal depths of aftershocks are concentrated in the depths of 6.5~8.2km with an average of about 7km. The best double-couple solution of the mainshock is 276°, 69° and -40° for strike, dip and slip angle for nodal plane I and 23°, 53° and -153° for nodal plane Ⅱ, respectively, revealing that it is a strike-slip event with a small amount of normal-fault component. The initial rupture depth of mainshock is about 7.5km obtained by the relocation while the centroid depth is 6km derived from gCAP method which was also verified by the seismic depth phase sPL observed by several stations, indicating the earthquake is ruptured from deep to shallow. Combined with the research results on regional geological structure and the seismic sequence relocation results, it is concluded that the nodal plane II is the seismogenic fault plane of this earthquake.
There are several active faults around the hypocenter of Lincheng earthquake sequence, however, none of the known faults on the current understanding is completely consistent with the seismogenic fault. To determine the seismogenic mechanism, the lucubrated research of the MS7.2 Xingtai earthquake in 1966 could provide a powerful reference. The seismic tectonic characteristics of the 1966 Xingtai earthquake sequence could be summarized as follows: There are tensional fault in the shallow crust and steep dip hidden fault in the middle and lower crust, however, the two faults are not connected but separated by the shear slip surfaces which are widely distributed in the middle crust; the seismic source is located between the hidden fault in the lower crust and the extensional fault in the upper crust; the earthquake began to rupture in the deep dip fault in the mid-lower crust and then ruptured upward to the extensional fault in the shallow crust, and the two fault systems were broken successively. From the earthquake rupture revealed by the seismic sequence location, the Lincheng earthquake also has the semblable feature of rupturing from deep to shallow. However, due to the much smaller magnitude of this event than that of the 1966 earthquake, the accumulated stress was not high enough to tear the fracture of the detachment surface whose existence in Lincheng region was confirmed clearly by the results of Lincheng-Julu deep reflection seismology and reach to the shallower fault. Therefore, by the revelation of the seismogenic mechanism of the 1966 Xingtai earthquake, the seismogenic fault of Lincheng earthquake is presumed to be a concealed fault possessing a potential of both strike-slip and small normal faulting component and located below the detachment surface in Lincheng area. The tectonic significance indicated by this earthquake is that the event was a stress adjustment of the deep fault and did not lead to the rupture of the shallow fault. Therefore, this area still has potential seismic hazard to a certain extent.
北京时间2017年9月4日3时5分, 河北省邢台市临城县发生ML4.4地震(图1), 震中与1966年邢台MS7.2地震震中相距约60km, 临城县北部及石家庄市赞皇县南部地区震感明显, 山西省阳泉市等地均有震感。 该地震是邢台地区自2003年以来发生的最大地震事件。 一方面人们对1966年邢台地震的巨大灾害心有余悸, 另一方面临城县处于相对的少震、 弱震区(图1), 故临城ML4.4地震引起了政府、 社会和地震工作者的广泛关注。
前人对1966年邢台地震全面深入的研究, 使我们对该地区的地质构造、 地球物理性质等有了较为深入的认识, 对该地区地震活动的构造成因也有了一定的了解(王椿镛等, 2017)。 本次临城ML4.4地震的发震构造是否与该地区之前的地震活动相一致, 它对该地区的地震活动以及地震危险性有什么新的指示意义, 是地震工作者需要努力厘清的科学问题。
临城ML4.4地震发生在邢台地区, 东北是冀中坳陷, 西部是太行山隆起, 东南是隆尧凸起。 冀中坳陷主要由晋县凹陷、 宁晋凸起、 束鹿凹陷和新河凸起组成(徐杰等, 1988)。 受古近纪新河“ 铲形” 正断裂的控制, 束鹿凹陷形成半地堑状束鹿断陷盆地, 盆地长约70km, 宽14~20km(徐杰等, 1988; 国家地震局地质研究所等, 1995; 赵成斌等, 1999; 徐锡伟等, 2000)。 中国地震局初步定位结果显示, 临城ML4.4地震发生在该盆地的西侧, 相邻的断裂有近SN走向的元氏断裂、 NWW走向的隆尧断裂、 NNE走向的晋县断裂以及NNW走向的临城断裂(图1)。 这些断裂交会于临城ML4.4地震震中附近, 增加了判定该地震序列发震断层的难度, 因此我们对该地震序列进行精定位, 以帮助了解该地震的发震构造。 此外, 控制束鹿断陷盆地, 亦即震中附近的这些断裂均为正断性质(徐杰等, 1988; 冯军等, 2011; 杨晓平等, 2016; 王椿镛等, 2017), 了解临城ML4.4地震的活动性质是否与这些断层的性质相一致, 对判定该地震序列的发震构造并认识该地区的地震活动性具有重要意义。 而对1966年邢台地震震源性质的深入研究, 为解答以上问题给出了很好的启示。
邢台地震之后, 有研究者对邢台地震震群的震源性质以及该地区的构造结构进行过深入的研究(王椿镛等, 2017)。 深地震反射剖面结果(王椿镛等, 1994a, b, c, 2016)显示, 受古近纪地壳的伸展作用, 邢台地区在结晶基底及其以上的沉积地层中形成了一系列铲式正断层, 将基底及以上地层错断成一系列局部凸起和凹陷区, 而且这些铲形正断层的倾角随深度的增加而趋缓, 最后归并于下面的滑脱构造带上; 此外, 在新河断裂下方还存在2条高倾角的深断裂, 彼此相背而倾, 倾角都较大, 向下错断了莫霍界面; 同时还发现地幔物质上涌侵入至地壳内的迹象(王椿镛等, 1994b, c, 2017; 赵成斌等, 1999)。 地幔热物质侵入地壳是控制铲状断层发育、 滑脱构造活动及导致邢台地区地壳中部走滑断层强地震活动的统一机制(曾融生等, 1991; 王椿镛等, 1994b; 张东宁等, 1995)。 在滑脱构造存在的条件下, 具有不同动力学特征的深部和浅部断裂同处于一个地质构造单元中(王椿镛等, 1994c; 赵成斌等, 1999), 而且浅部和深部断裂之间形成了一种彼此独立、 相互制约又相互影响的特殊深浅构造关系(刘国栋, 1994; Zeng et al., 1995; 张国民等, 1997; 梅世蓉等, 1999; 徐锡伟等, 2000, 2002; 丁国瑜, 2004; 邓起东等, 2008; 滕吉文等, 2009)。 如此复杂的地质构造环境和动力学机制孕育了1966年邢台MS7.2地震以及之后频发的序列强余震。 邢台MS7.2地震及其震群震源破裂过程, 尤其是破裂在深部的空间展布结果(刘国栋等, 1994; Zeng et al., 1995; 张国民等, 1997; 梅世蓉等, 1999; 徐锡伟等, 2000, 2002; 丁国瑜, 2004; 滕吉文等, 2009; 邓起东等, 2008)表明, 此地震起始发震于中、 下地壳的陡倾角深断裂, 并且是破裂的主要部分, 之后向上撕裂到地壳浅部的伸展构造, 使原本不贯通的深、 浅断裂相继破裂。 这一破裂模式能够很好地解释观测到的水平和垂向形变以及震源机制解表现出的与浅部新河断裂力学性质的不一致性。 因此, 充分获取地震的深度位置和破裂性质, 是有效认识该地区的地震发震机理的基础。
鉴于此, 本研究采用多阶段定位法(Long et al., 2015)对地震进行精定位, 以获取更精细的结果及更可靠的一维速度模型, 并将其用于其它震源参数的反演; 采用目前被广泛使用的gCAP方法(Zhu et al., 2013), 得到不作震源假设的一般震源机制解; 采用了区域深度震相sPL拟合方法(崇加军等, 2010), 得到更为精确的震源深度结果。 着重分析临城ML4.4地震的震源机制解和震源深度等震源参数, 探讨该地震序列的发震构造及发震机理, 为认识邢台地区的构造活动性、 构造意义和孕震动力学环境等问题提供帮助。
截至2017年11月1日24时, 河北省测震台网共记录到此次临城ML4.4地震序列地震32次, 其中ML1.0~1.9地震25次, ML2.0~2.9地震6次, ML4.0~4.9地震1次(图2)。
本文采用河北区域数字地震台网提供的宽频带地震波形资料, 根据P波初动方向的清晰度、 台站仪器响应参数可靠的原则以及台站方位分布等条件, 筛选出震中距在80~250km内的10个宽频带地震台的波形资料进行处理(图1)。
冀南地区具有丰富复杂的地质构造形式。 太行山隆起与华北平原坳陷区在此交会, 赞皇核杂岩体突出在这2大构造单元之间, 磁县-大名断层横贯东西, 太行山山前断层在此转折等。 因此, 本文参考Crust1.0的数据, 并综合考虑该区域速度结构(孙若昧等, 1995, 1996; 黄金莉等, 2005), 构建如表1所示的速度结构模型(VS=VP/1.73)。
本研究采用多阶段定位法(Long et al., 2015)对临城地震序列进行精定位。 具体处理流程为: 1)对地震观测报告中的震相数据进行筛选和检测。 基于河北区域地震台网提供的2010年1月— 2017年11月冀南地区ML≥ 1.0地震正式观测报告, 根据波形观测质量和地震震级大小等条件, 删除ML1.0~1.9地震震中距> 160km的震相信息, 删除ML2.0以上地震震中距> 200km的震相信息, 并通过地震波形资料对观测报告中的震相信息进行检测。 图 3为临城地震序列观测报告走时曲线, 从图中可看出该曲线变化较为线性, 说明观测报告中震相信息的精度较高。 2)基于选用的冀南地区速度模型(表1), 利用Hypo2000(Klein, 2002)对临城地震序列进行初定位, 获取震源位置和台站方位角等信息。 3)从观测报告中选取具有6个以上台站记录且方位角间隙< 150° 的地震事件, 利用VELEST(Kissling et al., 1994, 1995)反演该地区的最小一维速度模型并进行台站校正。 4)基于反演得到一维地壳速度模型(图4), 利用Hypo2000对该序列再次进行定位。 5)对校正后的地震震源位置利用HypoDD方法(Waldhauser et al., 2000)进行双差精定位。 定位所用台站为河北等区域台网布设在本次地震周边200km半径范围内的固定台(图1)。
根据重新定位过程中获得的冀南地区速度模型(图4, VP/VS=1.73)以及临城ML4.4地震重新定位结果, 采用gCAP(Zhu et al., 2013)矩张量反演法, 反演临城ML4.4地震矩张量解和震源矩心深度。 该方法是在CAP方法(Zhu et al., 1996)的基础上发展而成的, 在波形反演过程中包括了非双力偶分量, 将宽频带数字波形记录分为体波(Pnl)和面波2部分并赋予不同的权重, 分别计算它们的合成地震图和观测地震图的误差函数, 在给定参数空间中进行网格搜索得到最小误差的最优解。 反演中体波和面波滤波范围分别为0.05~0.2Hz和0.05~0.1Hz, 走向、 倾角与滑动角的搜索间隔均为5° , 深度搜索间隔为1km。 采用频率-波数法(F-K)(Zhu et al., 2002)计算格林函数, 采样间隔设为0.08s, 采样点为2 048个(易桂喜等, 2015)。
深度震相对比方法是一种高精度测定震源深度的方法。 深度震相一般指地震波从震源向上出射, 经地表反射后传播到台站的地震波。 深度震相与其参考震相的走时差受震中距影响较小, 只对震源深度变化特别敏感, 是测定震源深度的有效手段。 对于较小的震中距(50km以内), 可以利用sPL震相来测定震源深度(崇加军等, 2010; 张辉等, 2013)。 该震相从震源出发的SV波入射到自由表面下方时将有一部分能量转换为P波, 当临界入射时转换P波将沿着地表传播(图5)。 将理论地震波的参考震相到深度震相间的波形与观测波形进行对比, 当某一震源深度的理论波形与观测波形, 尤其是深度震相与参考震相到时差能较好吻合时, 该深度即为测定的震源深度。
基于河北区域地震台网提供的正式观测报告, 采用多阶段定位方法(Long et al., 2015)对临城地震序列进行了重定位。 定位得到29个地震的震源位置, 使用双差精定位中的奇异值分解法对其进行误差评估, EW向、 SN向和垂直向的相对定位误差为21.5m、 13.4m和28.1m。 重定位获得的临城ML4.4主震震源参数为: 发震时间2017年9月4日3时5分2.81秒, 震中位置37.503 4° N, 114.362 5° E, 震源初始破裂深度7.5km。 如图 6所示, 地震震中优势分布长轴(BB')走向约N30° E, 延展约2.1km; 垂直于长轴走向的短轴AA'长度约1.6km。 地震序列震源深度集中在6.5~8.2km范围内, 该深度结果与正式观测报告中的结果较为吻合。 短轴剖面AA'揭示了震源沿断层倾向分布的特点, 清晰地显示出可能的发震断层倾向为SE, 倾角大致为55° 。
基于上述获得的地壳速度结构模型(图4)、 重定位结果以及近震台站波形数据(图1), 利用gCAP方法反演临城ML4.4地震矩张量解和矩心深度(图7, 表2)。 如图 7所示, 理论地震图与观测地震图拟合得非常好, 明显高于易桂喜等(2016)提出的震源机制解可靠性要求。 因临城ML4.4地震为天然地震, 故将各向同性(ISO)搜索参数设为0。 根据矩张量反演结果(表2)所示, 该地震以双力偶分量(Λ dc)为主。 表3为最佳双力偶解, 从结果可以看出, 本次地震震源错动类型呈现出拉张走滑特征; P轴方位角约235° , 表现为NE-SW向, 同时与华北地区构造应力场方向基本相同(李钦祖, 1980; 李钦祖等, 1982; 高原等, 2008)。 反演方差随深度的变化图(图8)显示临城ML4.4地震的最优拟合矩心深度为6km, 稍浅于初始破裂深度, 但与整个序列约7km的平均震源深度结果一致。 起始破裂深度和矩心深度结果显示出该地震破裂起源于深部, 而后向浅部延伸的特点。
在地震矩张量反演过程中, 不准确的地壳速度结构模型可能会对反演结果造成一定的影响。 因此, 为了检验地震矩张量解和最佳双力偶解的可靠性, 我们选取了另一种地壳速度模型重新进行反演计算(表2, 3), 所得结果基本一致, 表明此次地震的地震矩张量解和最佳双力偶解反演结果受速度模型的影响较小。
另外, 选取不同的数据资料(Godano et al., 2009; 郑建常等, 2015; 王丽霞等, 2017)和反演方法反演得到的震源机制解可能存在一定的差异。 为了验证震源机制解结果的稳定性, 我们选用了其他近震台站波形资料(图1), 并基于反演得到的冀南地区速度模型(图4), 采用CAP方法反演临城ML4.4地震的震源机制解和矩心深度。 如图 9和图 10所示, 11个台站体波部分和面波部分共55个震相, 其中相关系数> 0.8的有49个, 占89%, 可见理论地震图与观测地震图较为吻合, 矩心深度仍为6km。 表4所列的震源机制解结果与最佳双力偶解(表3)相近, 表明本次地震的震源机制解结果较为准确。
根据地震序列震中分布长轴空间展布, 我们认为此次临城地震序列发震构造可能为NE走向的节面Ⅱ , 断层面倾向SE, 临城ML4.4地震地震机制类型为具有较小正断分量的右旋走滑型。
如图8和图10所示, 反演得到的震源机制解结果随震源深度变化较小, 可见震源机制解结果稳定性较好, 在地震深度5~7km范围内误差值相对较小。
一般情况下, 采用矩张量反演法可获得较为准确的震源深度, 然而其深度可能会受到反演过程中诸多因素的影响, 如面波和体波的相对权重以及不同的滤波频段等。 因此, 结合深度震相则可得到更准确的震源深度。
经过对地震观测波形的分析, 在元氏台、 邢台台、 鹿泉台和井陉台(震中距分别为32km、 44km、 54km和61km)4个台站上能够观测到清晰的sPL深度震相。 因此我们利用合成地震图sPL深度震相与参考震相Pg间的波形及到时差与实测波形进行比较以测定震源深度。 对合成地震图和观测地震图均采用1Hz低通滤波。
如图 11所示, 4个台站均可观测到清晰的sPL震相。 sPL震相清楚、 特点明显, 处于直达P波和S波之间, 其能量主要集中在径向分量, 垂向分量振幅相对较小, 切向分量振幅微弱, 波形呈现低频特征。
由图11a— h可看出, 理论地震图(虚线)上的sPL震相与Pg之间的走时差随着地震深度的增加基本呈线性增加, 表现出sPL震相对震源深度变化的敏感特性。 图11a— l一致显示, 在震源深度6km处, 径向和垂向理论地震图上的Pg、 sPL震相与之相对应的实测地震图到时对应较好, 振幅基本吻合, 且切向理论地震图上的S波与实测地震图走时和振幅也基本一致。 sPL深度震相清晰地显示ML4.4地震的矩心深度为6km。 结合gCAP、 CAP方法反演得到的震源深度, 我们认为该地震矩心震源深度约6km, 属于较浅的构造型地震。 利用多阶段定位法得到的震源深度为7.5km, 不过其确定的是初始破裂深度, 矩张量反演法和深度震相测定的深度为破裂矩心深度, 2种深度的区别主要与震级有关, 由于本次地震震级不大, 2种深度相差也较小, 从侧面揭示了所得的震源深度结果较为可信。
临城地震序列周围存在多条活动断裂(图1), 增加了判定该地震序列发震断层的难度。基于该序列重新定位后的震中分布和主震震源机制解结果, 发震断层应是走向23° 、 倾向SE、 倾角约53° 的兼具较小正断分量的右旋走滑型断裂。
现有资料对临城地区的断裂仍没有足够清晰的认识。 晋县断裂走向NNE、 倾向NW、 倾角较缓, 约40° ~45° , 断裂深至6.5km左右(徐杰等, 1988); 隆尧断裂走向NWW、 倾向S、 倾角> 60° , 长29km, 横切束鹿断陷盆地西边的元氏断裂(冯军等, 2011)。 元氏断裂是走向近SN、 倾向SE的正断裂, 几乎出露地表, 向下延伸1km左右后以约20° 的倾角延伸到华北平原区之下, 断裂可能收敛到上、 下地壳的分界面, 深15km左右(杨晓平等, 2016)。 在元氏断裂的西边还发育了NNW走向的临城断裂, 该断裂较短, 倾向NE, 具有正断活动性质。 从地震定位来看, 地震序列靠近临城断裂, 但是震源性质与该断裂走向NNW、 倾向NE的性质相悖; 地震序列也邻近元氏断裂, 然而元氏断裂的倾向和倾角也与地震序列的性质不符。 邢台地区已知的断裂中只有晋县断裂的走向与本次地震序列相吻合, 但晋县断裂的位置与本次地震的震中有所偏差, 除非晋县断裂向W延展到发震位置。
1966年邢台地震的深入研究成果可以为判定本次地震的发震构造提供强有力的借鉴。 研究表明(王椿镛等, 1994a), 邢台地震群的地震构造特点为: 浅部存在张性断裂, 中、 下地壳内存在高角度的隐伏断裂, 但二者并不连通; 震源位于深部隐伏断裂的顶部和深、 浅断裂互不连接的空间范围之中; 大震区存在中地壳的剪切滑脱面, 该滑脱面在震源部位阻挡了下部隐伏深断裂向上与浅部断裂的贯通(王椿镛等, 2016)。 邢台大地震的震源位于深、 浅部活动断裂与拆离带三者会而不交的部位, 是深部断裂向上破裂扩展的结果(王椿镛等, 1994d, 2016; 徐锡伟等, 2002)。 该地震起始发震于中、 下地壳的陡倾角深断裂, 之后向上撕裂到地壳浅部的伸展构造。 从地震序列定位所揭示的地震破裂来看, 临城地震也具有从深部向浅部破裂延伸的特征, 不过, 由于该地震震级较小, 所积累的能量不足以撕破滑脱构造面扩展到地壳浅部的断裂。 根据临城— 巨鹿深反射剖面(该剖面西端距临城ML4.4地震震中仅数km)结果(王椿镛等, 1994c, 2017), 邢台地区中地壳存在向E缓倾的强反射事件, 被解释为控制华北盆地古近纪掀斜凹陷和凸起形成和演化的壳内滑脱构造(王椿镛等, 1994c, 2017)。 Wang等(1997)认为这可能表示滑脱面下方的介质流变性随深度从脆性到塑性的变化, 并根据抬升角度推测这一滑脱构造在太行山东缘的赞皇附近出露于地表, 野外地质调查和其他研究结果也证实了这一推测。 因此, 在临城地区附近存在滑脱构造面, 该滑脱构造面深度浅于5km。 根据定位, 尤其是深度震相精确确定的震源深度结果, 本次地震破裂发生在滑脱构造之下, 表明临城地震可能与邢台大地震类似, 在滑脱构造面下的一条隐伏断裂带上发震。 由于滑脱构造的存在, 使得上部脆性地壳和中、 下部塑性地壳彼此相对独立, 并对构造活动及应力的积累产生一定的影响, 形成了上地壳与中、 下地壳应力积累的不均匀性。 当应力积累到一定程度时, 中、 下地壳的应力首先达到极限, 在中、 下地壳内引起深断裂活动, 当该断裂向上继续破裂时, 受滑脱构造的阻挡, 能量不足以撕裂滑脱面到浅部的断裂, 从而导致了下部破裂终止于滑脱构造之下(王椿镛等, 1994a; 赵成斌等, 1999)。
排除发震断层是晋县断裂的延展部分这种推测来源于以下几个特征。 首先, 元氏断裂西侧的太行山隆起地区由前寒武纪变质岩及古生界、 中生界和新生界等沉积盖层组成, 西边的冀中坳陷属于新时代早期的华北平原, 经历了广泛地断陷裂谷作用, 形成了一系列“ 铲状” 正断裂及由其控制的盆地与山岭相间排列组成的盆岭构造(徐杰等, 1985, 1988; 国家地震局地质研究所等, 1995; 赵成斌等, 1999; 徐锡伟等, 2000)。 晋县断裂并没有如隆尧断裂一样切穿元氏断裂而继续向W延展; 其次, 临城地震以走滑为主, 正断性质为辅, 与“ 铲状” 的晋县断裂正断性质也不一致。 因此, 本研究更倾向于认为临城地震的发震构造是一条NNE走向、 倾向SE、 倾角53° 左右的走滑兼具较小正断分量的隐伏断层, 并且该隐伏断层位于滑脱构造面之下, 与浅部的如临城断裂等并不相通。
本文基于河北区域数字地震台网记录, 采用多阶段定位方法对2017年9月4日临城ML4.4地震序列中的32个地震进行了重新定位, 最终获得了其中29个地震的重新定位结果。 同时, 利用gCAP矩张量反演方法获得了该序列中主震的震源机制解和震源矩心深度, 并利用深度震相方法精确确定了矩心深度, 结果表明主震震源参数较为可靠。 在此基础上, 结合邢台地区地质构造背景, 分析了本次地震序列的发震构造。 取得的主要认识如下:
(1)临城ML4.4地震主震初始破裂深度约7.5km, 矩心深度约6km。 余震优势展布为NE向, 地震序列集中在6.5~8.2km深度范围内, 平均震源深度约7km。 矩张量反演结果显示该地震双力偶分量占主导, 最佳双力偶解节面I走向276° 、 倾角69° 、 滑动角-40° , 节面Ⅱ 走向23° 、 倾角53° 、 滑动角-153° , 结合序列重新定位后震中分布结果分析, 认为节面Ⅱ 为发震构造, 断层面倾向SE, 是一个具有较小正断分量的右旋走滑型地震。
(2)结合地质构造和成像结果等资料综合分析认为, 临城地震序列的发震构造是临城地区滑脱构造面之下的一条走向NNE、 倾向SE、 倾角53° 左右的走滑兼有较小正断分量的潜伏断层。 地震破裂由深部向浅部扩展, 终止于滑脱构造。
本次地震震源深度较浅, 结合临城县西高东低的地势特征(图12), 该地震发生在临城的丘陵地带(高程近500m)。 已有研究成果显示, 临城地区沉积盖层厚5~6km(段永红等, 2016), 因此本次地震极有可能发生在沉积盖层底部或结晶基底顶部。 在本次地震震中区域, 滑脱构造面位于上地壳中深度< 5km处, 该构造是2套高黏度岩系沿所夹低黏度软弱层发生平行接触带的简单剪切变形, 使上、 下2套高黏度岩系发生平行于接触带方向的相对位移和相对滑动所产生的构造(曾佐勋等, 1994; 李理等, 2008)。 因此, 滑脱构造容易使应力集中, 进而有利于地震的产生。 因为结晶基底可能深于滑脱构造, 所以在少震、 弱震的丘陵地区的上地壳沉积盖层底部或结晶基底顶部能积聚引发ML4.4地震的应力。
华北盆地自中、 新生代以来岩浆活动强烈, 新近纪以来又呈现较强的活动(国家地震局地质研究所等, 1995; 赵成斌等, 1999)。 由于岩浆的底侵作用, 在邢台地区的中、 下地壳内形成了一些高温异常体, 这些异常体速度值偏低(祝治平等, 1995), 在地震剖面上呈现低速异常带, 使得中、 下地壳局部由脆性变为韧性, 在华北地区区域构造应力场及岩浆活动所形成的附加应力场的作用下, 利于地壳中、 下部深大断裂的形成。 王晓山等(2017)的研究结果表明邢台地区震源机制2组节面的走向主要为NE向和NW向, 本次临城地震序列与之基本一致, 揭示了临城地震序列主要是受到邢台地区区域应力场作用而发生, 同时也表明该序列受深、 浅断裂构造单元的共同影响。
通常情况下, 浅源地震主要发生在古老克拉通地区, 其地热较低, 岩石尤其是结晶基底的强度较高(Longston, 1987; 罗艳等, 2011)。 本次地震发生在临城地区, 研究结果表明临城及周边区域存在滑脱构造(王椿镛等, 1994b), 而岩浆侵入为滑脱构造形成的必要条件(Wang et al., 1997), 则该区浅层极有可能包含较硬的火山岩等, 有利于孕震应力的积累。 通过对本次地震的研究, 我们认为该地震是深部断裂的一次应力调整, 并没有导致深浅部断裂的贯通破裂。 这种应力调整不知是否可用于解释近年来邢台地区呈现增强趋势的中小地震活动, 如2002年隆尧-临城交界的MS4.7地震、 2002年宁晋ML4.2地震和2010年宁晋ML3.9地震等, 如果这些地震均是深部应力调整的表现, 那么临城及附近地区就存在一定的地震危险性, 因为深部仍在积累应力, 如最终发震并将浅部断裂贯通引发大规模破裂将带来较大的地震破坏, 需要持续关注。
致谢 四川省地震局龙锋高级工程师和张致伟高级工程师、 中国地震局兰州地震研究所冯建刚副研究员对本文提供了指导和建议, 在此一并表示感谢!
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